機械制造工藝學第三章機械加工表面質(zhì)量及其控制

1、123表面粗糙度波度紋理方向傷痕（劃痕、裂紋、砂眼等）表面質(zhì)量表面幾何形狀精度表面缺陷層表層加工硬化表層金相組織變化表層殘余應力加工質(zhì)量包含的內(nèi)容 4劃痕、劃痕、 a）波度 b）表面粗糙度零件加工表面的粗糙度與波度RZHRZ5無氧銅鏡面三維形貌及表面輪廓曲線6加工紋理方向及其符號標注7加工變質(zhì)層模型 8l表面質(zhì)量對零件耐磨性的影響表面質(zhì)量對零件耐磨性的影響Ra（m）初始磨損量重載荷輕載荷表面粗糙度與初始磨損量關系p表面粗糙度對零件耐磨性的影響表面粗糙度對零件耐磨性的影響表面粗糙度太大和太小都不耐磨。表面粗糙度太大和太小都不耐磨。表面粗糙度太大，接觸表面的實際表面粗糙度太大，接觸表面的實際壓強增

2、大，粗糙不平的凸峰相互咬合、壓強增大，粗糙不平的凸峰相互咬合、擠裂、切斷，故磨損加??；擠裂、切斷，故磨損加劇；表面粗糙度太小，也會導致磨損加表面粗糙度太小，也會導致磨損加劇。因為表面太光滑，存不住潤滑油，劇。因為表面太光滑，存不住潤滑油，接觸面間不易形成油膜，容易發(fā)生分接觸面間不易形成油膜，容易發(fā)生分子粘結而加劇磨損。子粘結而加劇磨損。表面粗糙度的最佳值與機器零件的表面粗糙度的最佳值與機器零件的工作情況有關工作情況有關9表面層的冷作硬化對零件耐磨性的影響表面層的冷作硬化對零件耐磨性的影響加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨加工表面的冷作硬化，一般能提高零件的耐磨性。性。因為它使磨擦副表面層

3、金屬的顯微硬度提高，塑性因為它使磨擦副表面層金屬的顯微硬度提高，塑性降低，減少了摩擦副接觸部分的彈性變形和塑性變形。降低，減少了摩擦副接觸部分的彈性變形和塑性變形。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。并非冷作硬化程度越高，耐磨性就越高。這是因為過分的冷作硬化，將這是因為過分的冷作硬化，將引起金屬組織過分引起金屬組織過分“疏松疏松”，在，在相對運動中可能會產(chǎn)生金屬剝相對運動中可能會產(chǎn)生金屬剝落，在接觸面間形成小顆粒，落，在接觸面間形成小顆粒，使零件加速磨損。使零件加速磨損。冷硬程度磨損量T7A鋼冷硬程度與耐磨性關系10 表面紋理的形狀和刀紋方向?qū)δ湍バ砸灿杏绊?，原因是紋理形狀和刀紋方向影響有效接

4、觸面積和潤滑液的存留，一般，圓弧狀、凹坑狀表面紋理的耐磨性好，尖峰狀的耐磨性差。在運動副中，兩相對運動零件的刀紋方向和運動方向相同時，耐磨性較好，兩者的刀紋方向和運動方向垂直時，耐磨性最差。11q表面粗糙度對零件疲勞強度的影響表面粗糙度對零件疲勞強度的影響l表面質(zhì)量對零件疲勞強度的影響表面質(zhì)量對零件疲勞強度的影響表面粗糙度越大，抗疲勞破壞的能力越差。表面粗糙度越大，抗疲勞破壞的能力越差。對承受交變載荷零件的疲勞強度影響很大。對承受交變載荷零件的疲勞強度影響很大。在交變載荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位在交變載荷作用下，表面粗糙度的凹谷部位容易引起應力集中，產(chǎn)生疲勞裂紋。容易引起應力集中，產(chǎn)生疲勞

5、裂紋。 表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件表面粗糙度值越小，表面缺陷越少，工件耐疲勞性越好；反之，加工表面越粗糙，表耐疲勞性越好；反之，加工表面越粗糙，表面的紋痕越深，紋底半徑越小，其抗疲勞破面的紋痕越深，紋底半徑越小，其抗疲勞破壞的能力越差壞的能力越差。12q表面層冷作硬化與殘余應力對零件疲勞強度的表面層冷作硬化與殘余應力對零件疲勞強度的影響影響 適度的表面層冷作硬化能適度的表面層冷作硬化能提高零件的疲勞強度。提高零件的疲勞強度。殘余應力有拉應力和壓應力之分，殘余應力有拉應力和壓應力之分，殘余拉應力殘余拉應力容易使已容易使已加工表面產(chǎn)生裂紋并使其擴展而加工表面產(chǎn)生裂紋并使其擴展而降低疲勞強

6、度降低疲勞強度殘余壓應力殘余壓應力則能夠部分地抵消工作載荷施加的拉應力，則能夠部分地抵消工作載荷施加的拉應力，延緩疲勞裂紋的擴展，從而延緩疲勞裂紋的擴展，從而提高零件的疲勞強度提高零件的疲勞強度。13l表面質(zhì)量對零件配合質(zhì)量的影響表面質(zhì)量對零件配合質(zhì)量的影響p表面粗糙度對表面粗糙度對配合質(zhì)量的影響配合質(zhì)量的影響表面粗糙度對零件配合精度的影響表面粗糙度對零件配合精度的影響 表面粗糙度較大，則降低了配合精度。表面粗糙度較大，則降低了配合精度。表面殘余應力對零件工作精度的影響表面殘余應力對零件工作精度的影響 表面層有較大的殘余應力，就會影響零件精表面層有較大的殘余應力，就會影響零件精度的穩(wěn)定性。度的

7、穩(wěn)定性。p表表面殘余應力面殘余應力對對配合質(zhì)量配合質(zhì)量的影響的影響14l表面質(zhì)量對零件耐腐蝕性能的影響表面質(zhì)量對零件耐腐蝕性能的影響p表面粗糙度對零件耐腐蝕性能的影響表面粗糙度對零件耐腐蝕性能的影響 減小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蝕性能。減小零件表面粗糙度，可以提高零件的耐腐蝕性能。因為因為零件表面越粗糙，越容易積聚腐蝕性物質(zhì)，凹谷零件表面越粗糙，越容易積聚腐蝕性物質(zhì)，凹谷越深，滲透與腐蝕作用越強烈。越深，滲透與腐蝕作用越強烈。 q表面殘余應力對零件耐腐蝕性能的影響表面殘余應力對零件耐腐蝕性能的影響 零件表面殘余壓應力零件表面殘余壓應力使零件表面緊密，腐蝕性物質(zhì)不使零件表面緊密，腐蝕性

8、物質(zhì)不易進入，易進入，可增強零件的耐腐蝕性可增強零件的耐腐蝕性；表面殘余拉應力則降低零件耐腐蝕性。表面殘余拉應力則降低零件耐腐蝕性。15如如減小表面粗糙度減小表面粗糙度可提高零件的接觸剛度、密封性和測量精度；可提高零件的接觸剛度、密封性和測量精度；對滑動零件，可降低其摩擦系數(shù)，從而減少發(fā)熱和對滑動零件，可降低其摩擦系數(shù)，從而減少發(fā)熱和功率損失。功率損失。l表面質(zhì)量對零件使用性能還有其它方面的影響表面質(zhì)量對零件使用性能還有其它方面的影響16表面殘余應力表面殘余應力精度的穩(wěn)定性精度的穩(wěn)定性1718rrfHctgctg28fHr車削時殘留面積的高度frRmaxvfrb）Rmaxfa）vfrr 19q

9、工件材料的性質(zhì)工件材料的性質(zhì)韌性韌性 表面粗糙度表面粗糙度 工件材料韌性愈好，金屬塑性變形愈大，加工表面愈粗糙。工件材料韌性愈好，金屬塑性變形愈大，加工表面愈粗糙。脆性脆性表面粗糙度表面粗糙度 加工脆性材料時，其切削呈碎粒狀，由于切屑的崩碎而在加工加工脆性材料時，其切削呈碎粒狀，由于切屑的崩碎而在加工表面留下許多麻點，使表面粗糙。表面留下許多麻點，使表面粗糙。塑性塑性表面粗糙度表面粗糙度 工件材料塑性越好，塑性變形越大，易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺，加工件材料塑性越好，塑性變形越大，易產(chǎn)生積屑瘤和鱗刺，加工表面粗糙。工表面粗糙。l物理因素的影響物理因素的影響 同一材料金相組織越粗大同一材料金相組織越粗大

10、 表面粗糙度表面粗糙度 故對中碳鋼和低碳鋼材料的工件，為改善切削性能，常在粗加故對中碳鋼和低碳鋼材料的工件，為改善切削性能，常在粗加工或精加工前安排正火或調(diào)質(zhì)處理。工或精加工前安排正火或調(diào)質(zhì)處理。20q切削速度的影響 加工塑性材料加工塑性材料時，切削速度對時，切削速度對表面粗糙度表面粗糙度的影響隨的影響隨切切削速度的變化而變化削速度的變化而變化（對積屑瘤和鱗刺的影響）；（對積屑瘤和鱗刺的影響）；切削速度越高切削速度越高，塑性變形越不充分，塑性變形越不充分，表面粗糙度值越表面粗糙度值越??；??；選擇選擇低速寬刀精切和高速精切低速寬刀精切和高速精切，可以得到，可以得到較小的表面較小的表面粗糙度；粗糙

11、度；切削速度對脆性材料的影響不大。切削速度對脆性材料的影響不大。21切削表面塑性變形和積屑瘤 切削45鋼時切削速度與粗糙度關系100120v（m/min）020406080140表面粗糙度Rz（m）481216202428收縮系數(shù)Ks1.52.02.53.0積屑瘤高度 h（m） 0200400600hKsRz22p積屑瘤的影響：積屑瘤的影響： 23p鱗刺的影響鱗刺的形成：抹試階段、導裂階段、層積階段、刮成階段鱗刺的形成：抹試階段、導裂階段、層積階段、刮成階段 24q進給量的影響進給量的影響 減小進給量減小進給量f f固然可以減小表面粗糙度值，但進給量過固然可以減小表面粗糙度值，但進給量過小，表

12、面粗糙度會有增大的趨勢，效率降低。小，表面粗糙度會有增大的趨勢，效率降低。 適當增大刀具前角，提高刃磨質(zhì)量，合理選擇切削適當增大刀具前角，提高刃磨質(zhì)量，合理選擇切削液，抑制積屑瘤和鱗刺。液，抑制積屑瘤和鱗刺。精鏜(車)后的表面輪廓圖(橫向粗糙度)25q磨削中影響粗糙度的幾何因素磨削中影響粗糙度的幾何因素從幾何因素和塑性變形兩方面影響工件的工件的磨削表面磨削表面是由砂輪上是由砂輪上大量磨?？虅澊罅磕チ？虅澇鰺o數(shù)極細出無數(shù)極細的的刻痕形成刻痕形成的，工件的，工件單位面積上通過的磨粒數(shù)越多單位面積上通過的磨粒數(shù)越多，則刻痕越多，則刻痕越多，刻痕的等高性越好刻痕的等高性越好，表面粗糙度值越小表面粗糙度

13、值越小。磨削時磨削時切削力大切削力大速度高溫度高速度高溫度高，且磨粒大多數(shù)是負前角，且磨粒大多數(shù)是負前角，切削刃又不銳利，切削刃又不銳利，大多數(shù)磨粒大多數(shù)磨粒在磨削過程中在磨削過程中只是對被加只是對被加工表面擠壓工表面擠壓，沒有切削作用。加工表面在多次擠壓下出，沒有切削作用。加工表面在多次擠壓下出現(xiàn)溝槽與隆起，又由于磨削時的現(xiàn)溝槽與隆起，又由于磨削時的高溫更加劇了塑性變形高溫更加劇了塑性變形，故表面粗糙度值增大。故表面粗糙度值增大。p磨削中影響粗糙度的物理因素磨削中影響粗糙度的物理因素（通常是決定因素）（通常是決定因素）26磨削用量對表面粗糙度的影響vw = 40(m/min)f = 2.36

14、(m /min)ap = 0.01(mm)v = 50(m/s)f = 2.36(m /min)ap = 0.01(mm)v(m/s), vw(m/min)Ra(m)0304050600.51.0a）ap(mm)00.010.40.8Ra(m)00.20.60.020.030.04b）光磨次數(shù)-Ra關系Ra(m)01020300.020.040.06光磨次數(shù)粗粒度砂輪(WA60KV)細粒度砂輪(WA/GCW14KB)27 金剛石砂輪磨削工程陶瓷零件 太硬易使磨粒磨鈍 Ra 太軟容易堵塞砂輪Ra 韌性太大，熱導率差會使磨粒早期崩落Ra 。28工件驅(qū)動箱放大器處理器記錄器顯示器觸針傳感器觸針法工作

15、原理29雙管顯微鏡測量原理1光源 2聚光鏡 3窄縫 4工件表面 5目鏡透鏡 6分劃板 7目鏡30干涉顯微鏡測量原理1光源 2、10、15聚光鏡 3濾色片 4光闌 5透鏡 6、9物鏡 7分光鏡 8補償鏡 10、14、16反射鏡 12目鏡 13透光窗31表面三維形貌測量與處理系統(tǒng)原理圖1驅(qū)動 2撞塊 3電觸點 4觸針 5工作臺 6工件 7步進電機 8控制電路 9驅(qū)動電路 10放大電路 11A/D變換器 12微機 13顯示器 14打印機32TOPO移相干涉顯微鏡光學原理圖1光源 2、4、12透鏡 3視場光闌 6干涉濾光片 7CCD面陣探測器 8輸出信號 9目鏡 10分光鏡 11壓電陶瓷 13反射鏡

16、14參考基準板 15分光板 16被測工件33表面微觀形貌a）表面形貌干涉條紋 b）表面三維形貌a）b）),(4),(22/),(),(),(),(),(tan),(31241yxyxyxZyxIyxIyxIyxIyx相位值：輪廓高度：3435機械加工時，工件機械加工時，工件表面層金屬表面層金屬受到受到切削力切削力的作用產(chǎn)的作用產(chǎn)生強烈的生強烈的塑性變形塑性變形，使，使晶格扭曲晶格扭曲，晶粒間產(chǎn)生剪切滑移，晶粒被拉長，晶粒間產(chǎn)生剪切滑移，晶粒被拉長、纖維化甚至碎化，從而使、纖維化甚至碎化，從而使表面層的強度和硬度增加表面層的強度和硬度增加，這種現(xiàn)象稱為，這種現(xiàn)象稱為加工硬化加工硬化，又稱，又稱冷

17、作硬化和強化冷作硬化和強化。式中 HV 硬化層顯微硬度（HV）； HV0 基體層顯微硬度（HV）。%10000HVHVHVN36 表面層冷作硬化的程度決定于表面層冷作硬化的程度決定于產(chǎn)生產(chǎn)生塑性變形塑性變形的力、的力、變形速度及變形時的溫度。變形速度及變形時的溫度。 p冷作硬化產(chǎn)生的原因冷作硬化產(chǎn)生的原因 力越大，塑性變形越大，則硬化程度越大；力越大，塑性變形越大，則硬化程度越大； 速度越大，塑性變形越不充分，則硬化程度越小；速度越大，塑性變形越不充分，則硬化程度越??； 變形時的溫度不僅影響變形時的溫度不僅影響塑性變形程度塑性變形程度，還會影響變，還會影響變形后金相組織的形后金相組織的恢復程度

18、恢復程度。 切削加工時表面層的硬化是不穩(wěn)定的，一有條件，切削加工時表面層的硬化是不穩(wěn)定的，一有條件，就會產(chǎn)生弱化現(xiàn)象：就會產(chǎn)生弱化現(xiàn)象： 若溫度若溫度超過（超過（0.250.30）T熔熔（熔化絕對溫度），（熔化絕對溫度），則除了強化現(xiàn)象外，同時還有則除了強化現(xiàn)象外，同時還有回復現(xiàn)象回復現(xiàn)象，此時歪扭的，此時歪扭的晶格局部得到恢復，晶格局部得到恢復，減低了冷硬作用減低了冷硬作用；37u 結論：結論： 機械加工時表面層的冷作硬化就是機械加工時表面層的冷作硬化就是強化作用和回復作用的綜合結果。強化作用和回復作用的綜合結果。 切削溫度越高、高溫持續(xù)時間越長、強化程度越切削溫度越高、高溫持續(xù)時間越長、強

19、化程度越大，則回復作用也就越強。大，則回復作用也就越強。因此對高溫下工作的零件，能保證疲勞強度的最因此對高溫下工作的零件，能保證疲勞強度的最佳表面層是沒有冷硬層或者只有極?。驯砻鎸邮菦]有冷硬層或者只有極?。?020m）冷作硬化的表面層。冷作硬化的表面層。 如果溫度如果溫度超過超過0.30T熔熔就會發(fā)生就會發(fā)生金屬再結晶金屬再結晶，此時，此時由于強化而改變了的表面層物理機械性能幾乎可以由于強化而改變了的表面層物理機械性能幾乎可以完全恢復。完全恢復。38切削力切削力塑變塑變冷硬冷硬切削用量影響刀具影響塑變塑變 冷硬冷硬00.20.40.60.81.0磨損寬度VB(mm)100180260340硬

20、度(HV)50鋼，v = 40(m/min) f = 0.120.2(mm/z)后刀面磨損對冷硬影響工件材料f 和 v 對冷硬的影響硬度(HV)0f (mm /r)0.20.40.60.8v =170(m/min)135(m/min)100(m/min )50(m/min)100200300400工件材料：4539磨削用量砂輪工件材料塑變 溫度 溫度 磨削力塑變塑變溫度磨削深度對冷硬的影響ap(mm)硬度(HV)00.253003504505004000.500.75普通磨削高速磨削40表層顯微硬度HV硬化層深度測量41磨削加工時切削力大（功率消耗遠遠大于其它切削方法），切削速度高（通常（通常

21、4050m/s，高達，高達80200m/s） ，磨削區(qū)溫度高（短時間內(nèi)可上升到4001000C，甚至更高）。 這樣大的加熱速度，促使加工表面局部形成瞬時熱聚集現(xiàn)象，有很高溫升和很大的溫度梯度，出現(xiàn)金相組織的變化，強度和硬度下降，產(chǎn)生殘余應力，甚至引起裂紋，這就是。 切削加工中，由于切削熱的作用，在工件的加工區(qū)及其鄰近區(qū)域產(chǎn)生了一定的溫升，當工件表層溫度達到或超過金屬材料相變溫度時，表層金相組織、顯微硬度發(fā)生變化，并伴隨殘余應力產(chǎn)生，同時出現(xiàn)彩色氧化膜。 一般的切削加工方法不太嚴重，磨削時易產(chǎn)生磨削燒傷現(xiàn)象。42u表面顏色與燒傷之間的關系表面顏色與燒傷之間的關系： 黑 青 淡青 米黃 淡黃 磨削

22、淬火鋼時，由于磨削燒傷，工磨削淬火鋼時，由于磨削燒傷，工件表面產(chǎn)生氧化膜并呈現(xiàn)出不同顏色，件表面產(chǎn)生氧化膜并呈現(xiàn)出不同顏色，相當于鋼的回火色。相當于鋼的回火色。 不同的燒傷色不同的燒傷色表示受到不同溫度的表示受到不同溫度的作用與產(chǎn)生作用與產(chǎn)生不同的燒傷深度不同的燒傷深度。有時表。有時表面雖看不出變色，但并不等于表面未面雖看不出變色，但并不等于表面未受熱損傷。受熱損傷。 例如在磨削過程中由于采用過大的例如在磨削過程中由于采用過大的磨削用量，造成了很深的燒傷層，以磨削用量，造成了很深的燒傷層，以后的無進給磨削中磨去了表面的燒傷后的無進給磨削中磨去了表面的燒傷色，而未能除去燒傷層，則留在工件色，而未

23、能除去燒傷層，則留在工件上的燒傷層就會成為使用中的隱患。上的燒傷層就會成為使用中的隱患。43 回火燒傷回火燒傷 磨削區(qū)溫度磨削區(qū)溫度超過馬氏體轉(zhuǎn)變溫度超過馬氏體轉(zhuǎn)變溫度(350(350) )而未超過相變溫度而未超過相變溫度(Ac3) ，則工件表面原來的馬氏體組織將，則工件表面原來的馬氏體組織將產(chǎn)生回火現(xiàn)象產(chǎn)生回火現(xiàn)象，轉(zhuǎn)化成，轉(zhuǎn)化成硬度降低硬度降低的的回火組織回火組織索氏體或屈氏體索氏體或屈氏體；淬火燒傷淬火燒傷 磨削區(qū)溫度磨削區(qū)溫度超過相變溫度超過相變溫度，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，由于冷卻，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，由于冷卻液的液的急冷急冷作用，作用，表層表層會出現(xiàn)二次淬火馬氏體，會出現(xiàn)二次淬火馬氏體

24、，硬度較硬度較原來的回火原來的回火馬氏體馬氏體高高，而它的，而它的下層下層則因為冷卻緩慢成則因為冷卻緩慢成為硬度降低的回火組織為硬度降低的回火組織。退火燒傷退火燒傷( (最為嚴重最為嚴重) ) 不用冷卻液進行不用冷卻液進行干磨削干磨削時，磨削區(qū)溫度時，磨削區(qū)溫度超過相變溫度超過相變溫度，馬氏，馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，因工件體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，因工件冷卻緩慢冷卻緩慢，則，則表層硬度急劇下降表層硬度急劇下降，這時，這時工件工件表層被退火表層被退火。p磨削淬火鋼時表面層產(chǎn)生的燒傷有以下三種：磨削淬火鋼時表面層產(chǎn)生的燒傷有以下三種：44p影響磨削加工時金相組織變化的因素影響磨削加工時金相組織變化的因素 低碳鋼

25、時不會發(fā)生相變；低碳鋼時不會發(fā)生相變； 高合金鋼如軸承鋼、高速鋼、鎳鉻鋼等傳熱性特別差，在高合金鋼如軸承鋼、高速鋼、鎳鉻鋼等傳熱性特別差，在冷卻不充分時易出現(xiàn)磨削燒傷。冷卻不充分時易出現(xiàn)磨削燒傷。 未淬火鋼為擴散度低的珠光體，磨削時間短時不會發(fā)生金未淬火鋼為擴散度低的珠光體，磨削時間短時不會發(fā)生金相組織的變化；相組織的變化； 淬火鋼極易相變。淬火鋼極易相變。45改善改善途徑途徑 磨削時，砂輪表面上磨粒的切削刃口磨削時，砂輪表面上磨粒的切削刃口鋒利鋒利磨削力磨削力磨削區(qū)的溫度磨削區(qū)的溫度應根據(jù)工件材料合理選擇砂輪的硬度、應根據(jù)工件材料合理選擇砂輪的硬度、結合劑和組織結合劑和組織磨削燒傷磨削燒傷砂

26、輪轉(zhuǎn)速砂輪轉(zhuǎn)速 磨削燒傷磨削燒傷徑向進給量徑向進給量fp 磨削燒傷磨削燒傷軸向進給量軸向進給量fa磨削燒傷磨削燒傷工件速度工件速度vw磨削燒傷磨削燒傷采用內(nèi)冷卻法 磨削燒傷采用開槽砂輪（采用開槽砂輪（）間斷磨削間斷磨削 受熱受熱磨削燒傷磨削燒傷46圖圖3-24 開槽砂輪開槽砂輪 a） 槽均勻分布槽均勻分布 b）槽不均勻分布）槽不均勻分布47 表面層殘余應力表面層殘余應力 定義：定義： 機械加工中工件表面層組織發(fā)生變化時，機械加工中工件表面層組織發(fā)生變化時，在表面層及其與基體材料的交界處會產(chǎn)生互相平衡在表面層及其與基體材料的交界處會產(chǎn)生互相平衡的彈性力。這種應力即為表面層的殘余應力。的彈性力。這

27、種應力即為表面層的殘余應力。p殘余應力產(chǎn)生的原因殘余應力產(chǎn)生的原因 冷態(tài)塑性變形冷態(tài)塑性變形 機械加工時，工件表面受到擠壓與摩擦，表層產(chǎn)生伸長塑變，機械加工時，工件表面受到擠壓與摩擦，表層產(chǎn)生伸長塑變，基體仍處于彈性變形狀態(tài)。基體仍處于彈性變形狀態(tài)。切削后，表層產(chǎn)生殘余壓應力，而在里層產(chǎn)生殘余拉伸應力。熱態(tài)塑性變形熱態(tài)塑性變形機械加工時，切削或磨削熱使工件表面局部溫升過高，引起高溫機械加工時，切削或磨削熱使工件表面局部溫升過高，引起高溫塑性變形。塑性變形。表層產(chǎn)生殘余拉應力，里層產(chǎn)生產(chǎn)生殘余壓應力；金相組織變化金相組織變化切削時產(chǎn)生的高溫會引起表面的相變。切削時產(chǎn)生的高溫會引起表面的相變。比容

28、大的組織比容小的組織體積收縮，產(chǎn)生拉應力，反之，產(chǎn)生壓應力。48 實際機械加工后的表面層殘余應力及其分布，是上述實際機械加工后的表面層殘余應力及其分布，是上述三方面因素綜合作用的結果，在一定條件下，其中某一三方面因素綜合作用的結果，在一定條件下，其中某一或二種因素可能起主導作用。或二種因素可能起主導作用。切削時切削熱不多（切削時切削熱不多（一般切削加工一般切削加工）時則以冷態(tài)塑性變形為）時則以冷態(tài)塑性變形為主，主，表面層常產(chǎn)生殘余壓縮應力。表面層常產(chǎn)生殘余壓縮應力。若切削熱多則以熱態(tài)塑性變?nèi)羟邢鳠岫鄤t以熱態(tài)塑性變形為主，形為主，表面層常產(chǎn)生殘余拉伸應力。表面層常產(chǎn)生殘余拉伸應力。 磨削時表面層

29、殘余應力歲磨削條件不同而不同：磨削時表面層殘余應力歲磨削條件不同而不同：輕磨削條件產(chǎn)生淺而小的殘余壓應力輕磨削條件產(chǎn)生淺而小的殘余壓應力，因為此時沒有金相組，因為此時沒有金相組織變化，溫度影響也很小，主要是織變化，溫度影響也很小，主要是塑性變形的影響塑性變形的影響在起作用。在起作用。中等磨削條件產(chǎn)生淺而大的拉應力。中等磨削條件產(chǎn)生淺而大的拉應力。淬火鋼重磨削條件則產(chǎn)生深而大的拉應力淬火鋼重磨削條件則產(chǎn)生深而大的拉應力（最外表面可能出（最外表面可能出現(xiàn)小而淺的壓應力），這里顯然是由于現(xiàn)小而淺的壓應力），這里顯然是由于熱態(tài)塑性變形和金相組熱態(tài)塑性變形和金相組織變化的影響織變化的影響在起主導作用的緣

30、故。在起主導作用的緣故。49f 對殘余應力的影響工件：45，切削條件：vc=86m/min，ap=2mm，不加切削液 殘余應力(Gpa)0.2000.2001 00200300400距離表面深度(m) f =0.40mm/r f =0.25mm/r f =0.12mm/rvc 對殘余應力的影響0=5,0=5,r=75,r=0.8mm,工件：45切削條件：ap=0.3mm, f=0.05mm/r, 不加切削液050100150200距離表面深度(m)殘余應力(Gpa)-0.2000.20vc =213m/minvc =86m/minvc =7.7m/min影響殘余應力的工藝因素影響殘余應力的工藝

31、因素u切削加工切削加工 5051 52q磨削過程中殘余應力的影響磨削過程中殘余應力的影響時表面層的殘余應力時表面層的殘余應力總的來說，磨削加工中熱態(tài)塑性變形和金相組織變總的來說，磨削加工中熱態(tài)塑性變形和金相組織變化的影響較大，故大多數(shù)磨削零件的化的影響較大，故大多數(shù)磨削零件的表面層往往有殘表面層往往有殘余拉應力。余拉應力。當殘余拉應力超過材料的強度極限時，零件表面就當殘余拉應力超過材料的強度極限時，零件表面就會出現(xiàn)會出現(xiàn)裂紋，裂紋，即即磨削裂紋磨削裂紋。p磨削裂紋磨削裂紋磨削裂紋一般很淺（磨削裂紋一般很淺（0.25.050mm），大多數(shù)垂直），大多數(shù)垂直于磨削方向或成網(wǎng)狀（磨螺紋時有時也有平行

32、于磨削于磨削方向或成網(wǎng)狀（磨螺紋時有時也有平行于磨削方向的裂紋），方向的裂紋），裂紋總是拉應力引起的，且常與燒傷裂紋總是拉應力引起的，且常與燒傷同時出現(xiàn)。同時出現(xiàn)。有的磨削裂紋也可能不在工件的外表面，而是有的磨削裂紋也可能不在工件的外表面，而是在表在表面層下面層下成為肉眼難以發(fā)現(xiàn)的缺陷。成為肉眼難以發(fā)現(xiàn)的缺陷。53圖圖8.12 8.12 磨削裂紋磨削裂紋54 55磨削硬質(zhì)合金時，由于其脆性大，抗拉強度低以及導熱性磨削硬質(zhì)合金時，由于其脆性大，抗拉強度低以及導熱性差，所以特別容易產(chǎn)生磨削裂紋。差，所以特別容易產(chǎn)生磨削裂紋。磨削含碳量高的淬火鋼時，由于其晶界脆弱，也容易產(chǎn)生磨削含碳量高的淬火鋼時，

33、由于其晶界脆弱，也容易產(chǎn)生磨削裂紋。磨削裂紋。工件在淬火后如果存在殘余應力，則即使在正常的磨削條工件在淬火后如果存在殘余應力，則即使在正常的磨削條件下也可能出現(xiàn)裂紋。件下也可能出現(xiàn)裂紋。工件淬火后在磨削前進行工件淬火后在磨削前進行去除應力去除應力的工序能收到很好的效果。的工序能收到很好的效果。滲碳、滲氮時如果工藝不當，就會在表面層晶界面上滲碳、滲氮時如果工藝不當，就會在表面層晶界面上析出析出脆脆性的性的碳化物、氮化物碳化物、氮化物，當磨削時在，當磨削時在熱應力作用熱應力作用下，就容易沿著下，就容易沿著這些組織發(fā)生這些組織發(fā)生脆性破壞脆性破壞，而出現(xiàn)，而出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋網(wǎng)狀裂紋。56p冷卻方法冷卻方

34、法選擇適宜的磨削液和有效的冷卻方法。選擇適宜的磨削液和有效的冷卻方法。采用高壓大流量冷卻采用高壓大流量冷卻內(nèi)冷卻內(nèi)冷卻加裝空氣擋板，減輕旋轉(zhuǎn)的加裝空氣擋板，減輕旋轉(zhuǎn)的砂輪表面的高壓附著氣流的作砂輪表面的高壓附著氣流的作用，以使冷卻液能順利地噴注用，以使冷卻液能順利地噴注到磨削區(qū)。到磨削區(qū)。57 表面殘余應力將直接影響零件的使用性能，一般工件表面殘表面殘余應力將直接影響零件的使用性能，一般工件表面殘余應力的數(shù)值和性質(zhì)主要取決于工件最終加工工序的加工方法。余應力的數(shù)值和性質(zhì)主要取決于工件最終加工工序的加工方法。零件的具體工作條件零件的具體工作條件58是一種用壓縮空氣或離心力將大量直徑細?。?.24

35、mm）的丸粒（鋼丸、玻璃丸）以3050m/s的速度向零件表面噴射的方法。 珠丸擠壓引起殘余應力 壓縮拉伸塑性變形區(qū)域使用壽命可提高數(shù)倍至數(shù)十倍。如齒輪可提高倍，螺旋彈簧可提高倍以上。硬化深度可達.mm,表面粗糙度可自.降到.。59使表層材料產(chǎn)生塑性流動，形成新的光潔表面。滾壓加工原理圖表面粗糙度可自.降至.，表面硬化深度達.mm，6061v 振動會在工件加工表面出現(xiàn)振紋，降低了工件的加工精度和振動會在工件加工表面出現(xiàn)振紋，降低了工件的加工精度和表面質(zhì)量，低頻振動時會產(chǎn)生波度；表面質(zhì)量，低頻振動時會產(chǎn)生波度；v 振動會引起刀具崩刃打刀現(xiàn)象并加速刀具或砂輪的磨損；振動會引起刀具崩刃打刀現(xiàn)象并加速刀

36、具或砂輪的磨損； v 振動使機床夾具連接部分松動，影響運動副的工作性能，并振動使機床夾具連接部分松動，影響運動副的工作性能，并導致機床喪失精度；導致機床喪失精度；v 產(chǎn)生噪聲污染，危害操作者健康產(chǎn)生噪聲污染，危害操作者健康v 影響生產(chǎn)效率影響生產(chǎn)效率 自由振動強迫振動自激振動62v 工藝系統(tǒng)受到初始干擾力而破壞了其平衡狀態(tài)后，系統(tǒng)僅靠彈性恢復力來維持的振動稱為自由振動。v 由于系統(tǒng)中存在阻尼，自由振動將逐漸衰弱，對加工影響不大。63v 由穩(wěn)定的外界周期性的干擾力（激振力）作用引起；v除了力之外,凡是隨時間變化的位移、速度和加速度，也可以激起系統(tǒng)的振動。v強迫振動振源：機外機內(nèi)。其他機床、鍛錘、

37、火車、卡車等旋轉(zhuǎn)零件的質(zhì)量偏心旋轉(zhuǎn)零件的質(zhì)量偏心齒輪嚙合時的沖擊、皮帶齒輪嚙合時的沖擊、皮帶 輪圓度誤差及皮帶厚度不均引起的張力變化，滾動軸承的套圈和滾輪圓度誤差及皮帶厚度不均引起的張力變化，滾動軸承的套圈和滾 子尺寸及形狀誤差子尺寸及形狀誤差往復部件的沖擊；液壓傳動系統(tǒng)的壓力往復部件的沖擊；液壓傳動系統(tǒng)的壓力 脈動；斷續(xù)切削時的沖擊振動脈動；斷續(xù)切削時的沖擊振動）64 頻率特征：與干擾力的頻率相同，或是干擾力頻率整倍數(shù) 幅值特征：與干擾力幅值、工藝系統(tǒng)動態(tài)特性有關。當干擾力頻率接近或等于工藝系統(tǒng)某一固有頻率時，產(chǎn)生共振 相角特征：強迫振動位移的變化在相位上滯后干擾力一個角，其值與系統(tǒng)的動態(tài)特

38、性及干擾力頻率有關65 圖1 內(nèi)圓磨削振動系統(tǒng) a) 模型示意圖 b）動力學模型 c）受力圖)sin(tAxp強迫振動的運動方程強迫振動的運動方程66電動機(能源)交變切削力F(t)振動位移X(t)自激振動閉環(huán)系統(tǒng)機床振動系統(tǒng)（彈性環(huán)節(jié)）調(diào)節(jié)系統(tǒng)（切削過程）u 切削過程本身能引起某種切削過程本身能引起某種交變切削力交變切削力，而振動系統(tǒng)能通過這種力，而振動系統(tǒng)能通過這種力的變化，從不具備交變特性的能源中周期性的獲得補充能量，從而維的變化，從不具備交變特性的能源中周期性的獲得補充能量，從而維持住這個振動。當運動一停止，則這種外力的周期性變化和能量的補持住這個振動。當運動一停止，則這種外力的周期性

39、變化和能量的補充過程也都立即停止。工藝系統(tǒng)中維持自激振動的能量來自機床電動充過程也都立即停止。工藝系統(tǒng)中維持自激振動的能量來自機床電動機，電動機除了供給切除切屑的能量外，還通過切削過程把能量輸給機，電動機除了供給切除切屑的能量外，還通過切削過程把能量輸給振動系統(tǒng)，使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動運動。振動系統(tǒng)，使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生振動運動。67自激振動系統(tǒng)能量關系A B C能量EQEE0振幅 機械加工中的自激振動是在沒有周期性外力(相對于切削過程而言)干擾下所產(chǎn)生的振動運動，這一點與強迫振動有原則區(qū)別。 自激振動的頻率接近于系統(tǒng)的某一固有頻率，或者說，顫振頻率取決于振動系統(tǒng)的固有特性。這一點與強迫振動根本不同，強

40、迫振動的頻率取決于外界干擾力的頻率。 自激振動是一種不衰減的振動。振動過程本身能引起某種不衰減的周期性變化，而振動系統(tǒng)能通過這種力的變化，從不具備交變特性的能源中周期性的獲得補充能量，從而維持住這個振動。 自激振動由振動系統(tǒng)本身參數(shù)決定，自激振動由振動系統(tǒng)本身參數(shù)決定，與強迫振動顯著不同。與強迫振動顯著不同。自由振動受阻尼自由振動受阻尼作用將迅速衰減，而自激振動不會因阻作用將迅速衰減，而自激振動不會因阻尼存在而衰減。尼存在而衰減。68 如圖3-33a所示為單自由度機械加工振動模型。設工件系統(tǒng)為絕對剛體，振動系統(tǒng)與刀架相連，且只在y方向作單自由度振動。 在背向力Fp作用下，刀具作切入、切出運動（

41、振動）。刀架振動系統(tǒng)同時還有F彈作用在它上面。y越大，F(xiàn)彈也越大，當Fp=F彈時，刀架的振動停止。 對上述振動系統(tǒng)而言，背向力Fp是外力，F(xiàn)p對振動系統(tǒng)作功如圖3-33b所示。 刀具切入，其運動方向與背向力方向相反，作負功；即振動系統(tǒng)要消耗能量W振入； 刀具切出，其運動方向與背向力方向相同，作正功；即振動系統(tǒng)要吸收能量W振出；l 產(chǎn)生自激振動的條件產(chǎn)生自激振動的條件69圖圖3-33 單自由度機械加工振動模型單自由度機械加工振動模型 a） 振動模型振動模型 b） 力與位移的關系圖力與位移的關系圖70 當當W振出振出W振入振入時，刀架振動系統(tǒng)將有持續(xù)的時，刀架振動系統(tǒng)將有持續(xù)的自激振動產(chǎn)生。自激振

42、動產(chǎn)生。71p三種情況：三種情況： W振出振出=W振入振入+ W摩阻（振入）摩阻（振入）時，系統(tǒng)有時，系統(tǒng)有穩(wěn)幅穩(wěn)幅的自激振動；的自激振動； W振出振出W振入振入+ W摩阻（振入）摩阻（振入）時，系統(tǒng)為時，系統(tǒng)為振幅遞增振幅遞增的自激的自激 振動，至一定程度，系統(tǒng)有穩(wěn)幅的自激振動；振動，至一定程度，系統(tǒng)有穩(wěn)幅的自激振動； W振出振出 W振入振入+ W摩阻（振入）摩阻（振入）時，系統(tǒng)為時，系統(tǒng)為振幅遞減振幅遞減的自激的自激 振動，至一定程度，系統(tǒng)有穩(wěn)幅的自激振動；振動，至一定程度，系統(tǒng)有穩(wěn)幅的自激振動；故振動系統(tǒng)產(chǎn)生自激振動的基本條件是：故振動系統(tǒng)產(chǎn)生自激振動的基本條件是：W振出振出W振入振入或

43、或 FP振出振出FP振入振入72再生原理 如圖所示，車刀只做橫向進給。 在穩(wěn)定的切削過程中，刀架系統(tǒng)因材料的硬點，加工余量不均勻，或其它原因的沖擊等，受到偶然的擾動。刀架系統(tǒng)因此產(chǎn)生了一次自由振動，并在被加工表面留下相應的振紋。 當工件轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)后，刀具要在留有振紋的表面上切削，因切削厚度發(fā)生了變化，所以引起了切削力周期性的變化。產(chǎn)生動態(tài)切削力。 將這種由于切削厚度的變化而引起的自激振動，稱為將這種由于切削厚度的變化而引起的自激振動，稱為 “再生顫再生顫振振”。圖圖 自由正交切削自由正交切削時再生顫振的產(chǎn)生時再生顫振的產(chǎn)生73再生自激振動原理圖f切入 切出y0ya）b）y0y切入 切出fc）fy

44、0y切入 切出d）切入 切出fy0ya）b）c）系統(tǒng)無能量獲得；）系統(tǒng)無能量獲得；d）此時切出比切入半周期中的）此時切出比切入半周期中的平均切削厚度大，切出時切削力所作正功（獲得能量）大于切入時所平均切削厚度大，切出時切削力所作正功（獲得能量）大于切入時所作負功，作負功，系統(tǒng)有能量獲得系統(tǒng)有能量獲得，產(chǎn)生自激振動。，產(chǎn)生自激振動。 圖中圖中綠線綠線表示前一轉(zhuǎn)切表示前一轉(zhuǎn)切削的工件表面振紋，削的工件表面振紋，紅線紅線表示后一轉(zhuǎn)切削的表面。表示后一轉(zhuǎn)切削的表面。 a）前后兩轉(zhuǎn)的振紋沒有相前后兩轉(zhuǎn)的振紋沒有相位差（位差（=0）圖）圖a b）前后兩轉(zhuǎn)的振紋相位差為）前后兩轉(zhuǎn)的振紋相位差為=圖圖b c）

45、后一轉(zhuǎn)的振紋相位超前圖）后一轉(zhuǎn)的振紋相位超前圖c d）后一轉(zhuǎn)的振紋相位滯后圖）后一轉(zhuǎn)的振紋相位滯后圖du 結論：在再生顫振中，只有當結論：在再生顫振中，只有當后一轉(zhuǎn)的振紋的相位滯后于前一轉(zhuǎn)后一轉(zhuǎn)的振紋的相位滯后于前一轉(zhuǎn)振紋時振紋時才有可能產(chǎn)生再生顫振。才有可能產(chǎn)生再生顫振。74apfaB振動方向XDfbbda）切削b）磨削rr，dabBfbB（切削）（磨削）重重 迭迭 系系 數(shù)數(shù) 前一次前一次走刀走刀工件表面形成的波紋面寬度在相繼的后一次工件表面形成的波紋面寬度在相繼的后一次走走刀刀的有效寬度中所占的比例，用的有效寬度中所占的比例，用表示。表示。p重迭系數(shù)對再生顫振的影響重迭系數(shù)對再生顫振的影

46、響 在縱向切削在縱向切削或磨削或磨削工件表面時，工件表面時，后一次走刀后一次走刀(進給進給)和前一次走和前一次走刀（進給）總會有部分重疊，刀（進給）總會有部分重疊，有有重迭切削重迭切削，則可能發(fā)生再生顫振。，則可能發(fā)生再生顫振。75 一般一般 01， 軸向切削時，軸向切削時，01 徑向切入（徑向切入（前后兩次走刀完全重疊時），前后兩次走刀完全重疊時）， =1（如切槽、鉆、端銑等）（如切槽、鉆、端銑等） 車方牙螺紋，車方牙螺紋，=0，無重迭切削，不可能，無重迭切削，不可能 發(fā)生再生顫振。發(fā)生再生顫振。u在金屬切削過程中，除極少數(shù)情況外，刀具總是部在金屬切削過程中，除極少數(shù)情況外，刀具總是部分地或

47、完全地在帶有波紋的表面上進行切削的。分地或完全地在帶有波紋的表面上進行切削的。式中 bd 等效切削寬度，即本次切削實際切到上次切削殘留振紋 在垂直于振動方向投影寬度； b 本次切削在垂直于振動方向上的切削寬度； B , fa 砂輪寬度與軸向進給量。 762振型耦合原理 振動系統(tǒng)實際上都是振動系統(tǒng)實際上都是多自由度多自由度的，的，如圖是一個二自由度振動系統(tǒng)示意圖如圖是一個二自由度振動系統(tǒng)示意圖。不考慮再生效應，當?shù)都芟到y(tǒng)產(chǎn)生。不考慮再生效應，當?shù)都芟到y(tǒng)產(chǎn)生了角頻率為了角頻率為的振動，則刀架將在的振動，則刀架將在x1和和x2兩個方向上同時振動，刀具振動兩個方向上同時振動，刀具振動的 軌 跡 一 般

48、 為 橢 圓 形 的 封 閉 曲 線的 軌 跡 一 般 為 橢 圓 形 的 封 閉 曲 線ACBDA 。 k1k2，x1超前x2 ， , 軌跡ADBCA為一橢圓，切入半周期內(nèi)的平均切削厚度比切出半周期內(nèi)的大,W0，有能量獲得，振動能夠維持 ，產(chǎn)生耦合型顫振耦合型顫振。 k1=k2，x1與x2無相位差, 軌跡為直線，無能量輸入zy077負摩擦原理切削塑性材料時，切削塑性材料時，在此區(qū)域，極易引在此區(qū)域，極易引起自激振動。起自激振動。Fp /N主要主要取決于切屑與刀具相對取決于切屑與刀具相對運動所產(chǎn)生的摩擦力運動所產(chǎn)生的摩擦力。78切削力滯后原理vFpkc振出振入xFp79q振動診斷的目的明確振動類型，以便采取針對性的解決措施。q振動診斷內(nèi)容強迫振動和顫振的部分； 若有屬于自激振動的頻率成分，則需進一步判定其屬于哪一種顫振類型；自激振動類型診斷的關鍵在于確定診斷參數(shù)；所確定的診斷參數(shù)必須充分并只是反映該類振動最本質(zhì)、最核心的參數(shù)。80強迫振動診斷依據(jù)強迫振動頻率與干擾力頻率相同（或為其整倍數(shù)）強迫振動診斷步驟81診斷參數(shù)前后兩次切削振紋的相位差相位差測量與計算JJnfJz60 為控制 測量誤差診斷要領82診斷參數(shù)z 向振動相對于 y 向振動的相位差診斷要領相位差測量與計算求取